SOLUCIÓN: a) Debe calcularse la potencia óptica generada por la fuente, que depende de la corriente inyectada según:

(1)

Constantes: h = 6,626⋅10-34 [J⋅s] , q = 1,6⋅10-19 [C] , K = 1,38⋅10-23 [J/ºK] , c = 3⋅108

1. Se pretende diseñar un sistema de comunicaciones ópticas simple NO GUIADO entre dos satélites, del tipo

MI-DD con codificación digital NRZ a la velocidad de 620 Mbps, y separados una distancia de 500 Km. El receptor

presenta una sensibilidad de –60 dBm a la longitud de onda de 820 nm, para el régimen binario de 620 Mbps, y

para la especificación de calidad exigida, que es de una tasa de error de 10

-9

. Además, el área del fotodetector PIN

del receptor es de 10 mm

2

.

Se pretende utilizar un trasmisor cuyas características son:

Anchura espectral ∆λ = 30 nm.

Longitud de onda de emisión central λ

0

= 820 nm y espectro:

Eficiencia de la fuente (incluye eficiencia interna y externa) η = 1 %.

Efectos parásitos del encapsulado despreciables.

Divergencia del haz emitido θ = 0,02º.

Se puede considerar que la fuente de luz produce un cono de iluminación, con un

ángulo

θ definido por la divergencia del haz, que produce una “mancha” de luz

sobre el receptor que es de forma circular y con distribución de luz uniforme,

como se muestra en la figura:

Se pide:

a) Si la fuente se alimenta con una corriente eléctrica constante de 100 mA, determinar la potencia óptica

emitida.

b) Determinar si la luz recogida por el fotodiodo es suficiente. SOLUCIÓN:

a) Debe calcularse la potencia óptica generada por la fuente, que depende de la corriente inyectada según:

I

q

h

P

=

η

_i

η

_ext

ν

b) La luz recogida será suficiente si se supera el valor de sensibilidad. Debido a que la mancha de iluminación posiblemente sea superior en tamaño al área fotodetectora, es necesario calcular qué porcentaje de luz es recogido, que será el cociente entre el área del fotodetector y el área de la mancha de iluminación. Para calcular está última se plantea un problema trigonométrico con el ángulo de divergencia y la distancia transmisor receptor. Es importante tener en cuenta que al ser la propagación en el vacío, la señal no es atenuada: si no llega toda al receptor es simplemente porque su tamaño le impide recogerla toda.

(2)

2. Un fabricante ofrece un transmisor óptico cuya principal novedad es que su diseño modular permite utilizar la

misma electrónica con varias fuentes de luz que el usuario puede sustituir en función de sus necesidades.

La electrónica del transmisor (común para todas las fuentes de luz) tiene las siguientes características:

-

Acepta señales digitales LVDS con codificación NRZ de hasta 1 Gbps.

-

Proporciona a las fuentes de luz una corriente media de 50mA y una tensión de 1,6Voltios.

Mientras que se proporcionan dos módulos que incorporan las fuentes de luz con las siguientes características:

Módulo LED: Fuente de luz tipo LED emitiendo en 1550nm, con una anchura espectral eficaz de 20nm,

eficiencia cuántica interna del 70%, eficiencia externa del 10%, y de acoplo en fibra del 18%, capacidad de la unión

de 20pF, resistencia dinámica de la unión de 10Ω, y tiempos de recombinación de 50ps.

Módulo DFB: Fuente de luz tipo DFB emitiendo en 1550nm, anchura espectral de 10MHz, corriente umbral de

10mA, eficiencia de conversión de potencia (no incluye el acoplo en fibra) de 0,3 [W/W], eficiencia de acoplo en

fibra del 21%, frecuencia máxima de modulación de 620MHz.

Todos los módulos presentan conexión óptica tipo ST y capacidades parásitas de las cápsulas de la fuente de luz de

10pF.

SE PIDE:

a) Determinar si es posible usar el módulo LED en un sistema de transmisión multicanal WDM (múltiples

portadoras ópticas a diferentes frecuencias), que especifica una separación entre canales de al menos

10THz.

b) Determinar la potencia óptica media introducida por el módulo LED en la fibra óptica.

c) Determinar si el transmisor con el módulo LED será capaz de trabajar al régimen binario requerido de 1

Gbps

SOLUCIÓN:

a) Debe calcularse la anchura espectral del LED en términos de frecuencia, si es superior a la separación requerida entre canales, no es válido.

b) Se plantea la ecuación para la potencia óptica emitida del LED, considerando todos los parámetros de eficiencia.

c) Hay dos factores que limitan la capacidad de modulación del dispositivo: la generación de luz, determinada por el tiempo de recombinación; y las capacidades parásitas, que fija un ancho de banda máximo definido por el producto R·C. Hay que calcular las f3dB debidas a ambas causas, y quedarse con la más restrictiva. Conocida la frecuencia máxima de modulación, se puede relacionar con el régimen binario a partir del contenido frecuencial de una señal NRZ.

(3)

3.

De un transmisor para un sistema cWDM (coarse WDM) de tres canales se conocen las siguientes características:

- Dispone de tres entradas para los datos, con niveles TTL (0/5V) que admite señales RZ de hasta 640Mbps.

- Incorpora tres fuentes de luz, centradas en la primera (850nm), segunda (1320nm) y tercera (1550nm) ventana de transmisión, respectivamente. - Incorpora un multiplexor WDM de parámetros ideales.

- Presenta una única salida óptica que consiste en un trozo (pigtail) de 1metro de fibra óptica estándar de telecomunicación.

- La fuente nº 1 (850nm) tiene una anchura espectral eficaz de 1GHz, es manejada por un driver de 0,01A/V de ganancia, tiene 10mA de corriente umbral, una eficiencia cuántica diferencial externa (incluyendo acoplo en fibra) del 19%, y un circuito de bias que proporciona 10mA constantes.

- La fuente nº 2 (1320nm) presenta un espectro de 2nm de anchura espectral FWHM con una separación entre modos longitudinales de 0,5nm.

- La fuente nº 3 (1550nm) presenta un anchura espectral eficaz de 20nm, una responsividad de 0,2W/A e introduce en fibra una potencia óptica media de 0dBm.

Se pide:

a) Dibujar un esquema simplificado del transmisor y comentar brevemente de qué tipo es cada fuente de luz. b) Cuál es la ganancia de transconductancia del driver de la fuente nº 3.

c) Determinar si existirá crosstalk entre canales al régimen binario especificado..

d) Sabiendo que la atenuación de la fibra óptica estándar es de: 3dB/Km @ 850nm, 0,4dB/Km @ 1320nm, y 0,2dB/Km @ 1550nm, determinar cual es la longitud necesaria de canal y la potencia óptica que debe emitir la fuente nº 2 para que al final del mismo la potencia óptica de los tres canales esté ecualizada (sea igual).

e) Si la luz al final del canal de fibra óptica de la longitud calculada en el apartado d), incide sobre un fotodiodo ideal de Silicio, con responsividad máxima de 0,6 A/W a λ=1100nm, determinar la fotocorriente generada.

Solución:

a) Un transmisor WDM se caracteriza por usar una fuente de luz para cada canal de transmisión, uniéndose la señal óptica en una misma fibra mediante un multiplexor en longitud de onda. Un esquema simplificado sería el siguiente:

De acuerdo al enunciado del problema, puede decirse que las fuentes de luz son: La fuente número 1 es un láser (presenta corriente umbral), probablemente del tipo Fabry-Perot porque la anchura espectral es muy grande (1GHz). La fuente nº 2 es un láser monocromático, tipo DFB o VCSEL, porque presenta los característicos modos longitudinales. La fuente nº 3 es un diodo LED con toda seguridad por su gran anchura espectral de 20nm.

b) El driver convierte la tensión media de entrada a una corriente media que se transforma en la fuente de luz en una potencia óptica media a su salida (según la responsividad de la fuente). Su ganancia es el cociente entre la corriente de salida y la tensión de entrada.

La fuente emite una potencia óptica media de 1mW, al tener una responsividad de 0,2W/A, la corriente media suministrada será:

mA

P

I

O

5 =

ℜ

=

La tensión media de entrada será 1/2 de 5V, luego la ganancia buscada será:

¡Atención!

Todos los apartados de este problema están mal resueltos, con errores conceptuales, en las fórmulas o en los cálculos.

(4)

V

mA

V

I

G

2 /

5 ,

2

10

5

3

=

⋅

=

−

c) Se pueda suponer que existirá crosstalk si la separación en frecuencia entre canales es menor o igual de cuatro veces el régimen binario. En el peor de los casos, la separación mínima entre canales se da entre 2ª y 3ª ventana, en este caso, ∆λ=230nm. Se pasa a términos de frecuencia óptica con la expresión:

λ

⋅

∆

−

=

∆

₂ 0

c

v

Siendo λ0 la longitud de onda alrededor de la cual se calcula la separación frecuencial. Poniendo para este valor una longitud de onda intermedia entre 1320 y 1550nm, se obtiene:

KHz

v

=

33 ,

5 ∆

Que es un valor mucho menor que cuatro veces el régimen binario (640⋅106 bps), luego puede afirmarse que se producirá crosstalk entre canales.

d) Se plantea una ecuación de balance de pérdidas para cada fuente de luz:

P

_fuente

−

α

_F_._O_.

⋅

L

=

P

_REC, donde L y REC

P

son iguales para las tres fuentes. Se forma un sistema de tres ecuaciones y se resuelve despejando las tres incógnitas: L, la potencia al final del canal y la potencia de la fuente 2.

canal final nm Fte

L

P

₋₈₅₀

−

α

₈₅₀

⋅

=

₋ canal final nm Fte

L

P

₋1320

−

α

1320

⋅

=

₋ canal final nm Fte

L

P

₋1550

−

α

1550

⋅

=

₋

La única pega es calcular la potencia media emitida por la fuente de 850nm: hay que usar la expresión que permite calcular a partir de la corriente de inyección, se calcula para el “0” y para el “1”, y se halla luego el valor medio:

(

I

)

mW

q

h

P

_"₁_"

=

ν

η

_"₁_"

+

_BIAS

=

16 ,

64

(

I

)

mW

q

h

P

"0"

=

η

"0"

−

BIAS

=

2 ,

77 ν

dBm

mW

P

=

0 ,

25 ⋅

_"₁_"

+

0 ,

75 ⋅

_"₀_"

=

6 ,

23 =

+

7 ,

95

Con las ecuaciones anteriores, se obtiene la potencia de la fuente nº 2:

dBm

mW

P

_Fte₋₁₃₂₀_nm

=

1 ,

092 =

+

0 ,

382

Y la distancia del canal para que se cumpla la condición indicada:

Km

L

=

1 ,

93

La potencia al final del canal será entonces:

dBm

mW

P

Final−canal

=

0 ,

91 =

−

0 ,

34

e) Al fotodiodo llegan tres haces de luz a tres longitudes de onda diferentes. Como su responsividad depende de λ, habría que calcularla para cada canal, obtener las fotocorrientes y sumarlas. Debe tenerse en cuenta que el Silicio presenta una longitud de onda de corte ligeramente superior a 1100nm, por lo que el canal presentará comportamiento multimodo para los canales de longitud de onda inferior a este valor, pero esto no afecta a la fotocorriente generada. Sumando las potencias ópticas, se obtiene una fotocorriente:

dBm

mW

x

P

I

_oP

=

_Final₋_canal

⋅

ℜ

=

3

0 ,

91 ⋅

0 ,

6 =

1 ,

64 =

2 ,

14

(5)

4. Un transmisor para una red de área local óptica (100BaseT-FL) está formado por:

a) Un driver para la fuente de luz que acepta señales digitales con modulación NRZ y niveles TTL (0-5V), con ganancia de transimpedancia para la señal digital de 0,006 A/V y corriente de polarización constante (Bias) de 10mA; y una frecuencia máxima de trabajo de 50 MHz.

b) Una fuente de luz modelo LFO-17m-ip, con salida por fibra óptica conectorizada, y cuya hoja de características se reproduce, junto con un diagrama de la estructura de la fuente.

SE PIDE:

d) Indicar razonadamente de qué tipo de fuente de luz se trata

e) Determinar el régimen binario máximo del conjunto del transmisor (usando valores típicos de la hoja de características)

f) Obtener una estimación a partir de los valores típicos de la hoja de características de los parámetros de Responsividad y Eficiencia de Conversión de Potencia, con sus unidades

g) Determinar la potencia óptica media disponible en la fibra óptica al aplicar la señal digital Fórmulas: ₃_dB

0,35

R

f

τ

≈

5. Un sistema de comunicaciones ópticas requiere de un transmisor capaz de funcionar al régimen binario de 620Mbps, y

que sea capaz de entregar una potencia óptica media en la fibra óptica de 0 dBm.

Un fabricante ofrece un producto del que se conocen las siguientes características:

• Está basado en un diodo láser Fabry-Perot con longitud de onda central de 1550nm y corriente umbral de 10mA. • Incorpora un driver para el láser que acepta señales eléctricas con niveles TTL y codificación NRZ, con niveles de 0 y

5Voltios, que convierte en corrientes de inyección para el láser de 20 y 60mA respectivamente.

• El diodo láser presenta una eficiencia cuántica diferencial del 25%, así como una eficiencia de acoplo en fibra del 10%.

• El ancho de banda del circuito driver es de 600 MHz, mientras que el diodo láser presenta una capacidad parásita de la unión de 20pF y una resistencia dinámica de 50Ω.

Se pide:

a) Demostrar razonadamente que el transmisor no inyecta en fibra la potencia óptica media requerida

b) Demostrar razonadamente que el régimen binario máximo del transmisor no es adecuado a los requerimientos del sistema

Alguien ha propuesto utilizar este mismo transmisor, pero añadiendo un modulador óptico externo. En este supuesto, la fuente de luz del transmisor se alimentaría con una corriente constante de 120mA. Se pide:

c) Dibujar un esquema del conexionado de los elementos del conjunto transmisor.

d) Describir las características que debería cumplir el modulador externo para que se cumplan los requerimientos de régimen binario y potencia media en el canal del sistema